Влияние поверхностных фаз Si-Au, Si-Na, Si-In на электрическую проводимость кремния (100) Цуканов, Дмитрий Анатольевич

Введение к работе

Актуальность работы. Исследование процессов на поверхности твердых гел - одно из важнейших направлений в современной физике. Поверхность монокристаллических полупроводников, а особенно поверхность кремния, -зесьма привлекательный предмет для научных исследований из-за широкого применения в полупроводниковых приборах и устройствах, микроэлектронике. В то же время исследование влияния поверхностных фаз на электрофизические характеристики поверхности представляет фундаментальный интерес.

Согласно современным представлениям, при субмонослойных покрытиях ідсорбата на кристаллической поверхности кремния в условиях сверхвысокого вакуума в термодинамически равновесных условиях формируются поверх-постные фазы, представляющие собой новые вещества, образующиеся в эпределенной области температурной и концентрационной устойчивости и эбладающие определенными электронной и кристаллической структурами. Наличие поверхностных фаз определяет характер процессов, протекающих на поверхности кремния, таких как адсорбция, формирование межфазных границ, поверхностная диффузия и т.д.

Известно очень много научных публикаций в отечественной и зарубежной периодической печати, посвященных исследованию атомной и электронной структуры поверхностных фаз на кремнии, см. например [1,2]. Однако, івно недостаточно работ, отвечающих на простой вопрос: какими свойствами эбладают поверхностные фазы какого-либо элемента Периодической таблицы з отличие от объемного материала, образованного теми же элементами? Эткрытие новых свойств поверхностных фаз может дать толчок к разработке принципиально новых полупроводниковых устройств и должно стать движущей силой для дальнейших исследований в области физики поверхности.

Изучение структуры и свойств поверхностных фаз на кремнии представ-пяет собой непростую экспериментальную задачу. Наиболее распространенным методом изучения поверхностных фаз является исследование корреляции

их свойств с атомарной и кристаллической структурой. Этот метод исследования используется и для исследования электрической проводимости поверхностных фаз, причем экспериментальные данные свидетельствуют о том, что различные поверхностные фазы, во-первых, влияют на электрические свойства поверхности, во-вторых, это влияние происходит различным образом. Это, в принципе, позволяет получить целую гамму электрофизических свойств для поверхности кремниевого кристалла, что расширяет возможности использования поверхностных структур в полупроводниковых технологиях.

Условия формирования и кристаллическая структура поверхностных фаз на кремнии (100) таких элементов, как золото, щелочные металлы, водород, исследованы уже достаточно хорошо. В то же время, практически нет данных о том, как формирование поверхностных фаз этих и других элементов влияет на электрическую проводимость кремния. Такие сведения позволили бы получить более детальные представления о физических процессах, которые происходят на поверхности кремния при адсорбции этих элементов и формировании поверхностных фаз.

Как оказалось, данные исследований электрической проводимости позволяют рассматривать поверхностные фазы как новый двумерный материал на поверхности кремния со своими свойствами, отличными от свойств объема. Фактически, поверхностные фазы, с точки зрения их проводящих свойств, могут являться дополнительными к "объему" каналами проводимости на кремнии. Причем это могут быть поверхностные фазы как кремний-адсорбат на поверхности кремния, так и поверхностные фазы чистого кремния, такие как Si(l 11)7x7 и Si( 100)2x1.

Следует отметить, что изучение проводимости поверхностных фаз может само по себе служить еще одним методом исследований различных процессов на поверхности, таких как механизмы формирования поверхностных фаз и различных структур на кремнии, процессы адсорбции, агломерации и т.п.

Целью диссертационной работы было исследование электрической проводимости кремния с поверхностными фазами одновалентных элементов и влияния поверхностных фаз на электрические свойства подложки. Для этого [іредполагалось было решить основные задачи:

1. Сконструировать четырехзондовую приставку для проведения электрических измерений проводимости в условиях сверхвысокого вакуума, разработать методику измерений электрической проводимости поверхностных фаз на кремнии.

2. Исследовать электрическую проводимость поверхностной фазы чистого кремния Si(100)2xl, используя процесс адсорбции чужеродных атомов.

3. Исследовать влияние поверхностных фаз одновалентных элементов, например, таких как кремний-золото и кремний-натрий, на проводимость подложки.

4. Предложить возможные механизмы электрической проводимости для поверхностных фаз на кремнии.

5. Изучить влияние адсорбции водорода и кислорода на поверхностную проводимость кремния.

Научная новизна работы состоит в том, что:

впервые была исследована электрическая проводимость субмонослой-ной системы Au/Si(100): а) при напылении золота на поверхность кремния при комнатной температуре; б) после формирования поверхностных фаз кремний-золото.

исследована электрическая проводимость поверхностной фазы Si(100)2x3-Na.

исследована электрическая проводимость поверхностной фазы чистого кремния Si(100)2xl и проводимость кремния с поверхностной фазой Si(100)2x3-Na при взаимодействии с атомарным водородом. Показано, что поверхностные фазы как металлов, так и чистого кремния являются

проводящими, адсорбция водорода приводит к разрушению этих поверхностных фаз и уменьшению электрической проводимости. - предложен механизм электрической проводимости для поверхностных фаз на кремнии. Практическая ценность.

Впервые была получена качественная и количественная информация о влиянии на электрическую проводимость кремния в условиях сверхвысокого вакуума различных адсорбатов, таких как золото, натрий, сурьма, индий, водород, а также поверхностных фаз с участием этих элементов.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы для получения нужных электрофизических параметров для различных полупроводниковых структур на поверхности кремния с использованием поверхностных фаз. Это еще один шаг на пути к созданию двумерных полупроводниковых приборов, таких как двумерный диод, двумерный транзистор, трехмерные микроэлектронные структуры с захороненными поверхностными фазами и т.д. На защиту выносятся основные результаты диссертационной работы:

Напыление золота при комнатной температуре (КТ) на поверхность
кремния Si(100)2xl приводит к разрушению этой поверхностной фазы и
уменьшению проводимости подложки кремния на начальном этапе вследствие
исчезновения канала проводимости, который был образован поверхностной
фазой Si(100)2xl.

При дальнейшем напылении золота (покрытие адсорбата больше 0,5 МС) проводимость подложки начинает увеличиваться вследствие образования на поверхности кремния металлической пленки золота.

Формирование поверхностных фаз золота приводит к возникновению новых каналов проводимости, электрическая проводимость которых выше, чем проводимость поверхностной фазы Si(100)2xl.

Формирование поверхностной фазы Si(100)2x3-Na приводит к уменьшению электрической проводимости подложки, что связано с тем, что элек-

трическая проводимость данной поверхностной фазы меньше, чем проводимость Si(100)2xl.

Экспозиция кремния с поверхностными фазами Si(100)2xl и Si(100)2x3-Na в водороде приводит к уменьшению электрической проводимости вследствие разрушения на поверхности каналов проводимости, которые формируют эти поверхностные фазы.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях:

1. Россия, Екатеринбург, УрГУ, (1996), Всероссийская научная конференция студентов-физиков,

2. Россия, Владивосток, ВГУЭС, (1997), Межвузовская студенческо -преподавательская научно-методическая конференция "Проблемы создания и контроля элементной базы радиоэлектронной аппаратуры",

3. Россия, Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, (1997), Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов,

4. Russia, Vladivostok, (1998), Third Russia-Japan Seminar on Semiconductor Surfaces,

5. Россия, Владивосток, ДВГУ, (1998), Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике,

6. France, Aix-en-Provence, (1999), Fifth International conference on Atomi-cally Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures,

7. Austria, Vienna, (1999), 18^th European Conference on Surface Science,

8. Россия, Владивосток, ИАПУ ДВО РАН, (1999), III Региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов,

9. Россия, Владивосток, ВГУЭС, (2000), II Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых

"Высокие интеллектуальные технологии развития профессионального образования и науки".

Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 статей в научных журналах, 2 работы приняты в печать, кроме того, опубликованы 8 тезисов докладов, которые были представлены на Всероссийских и Международных конференциях и семинарах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 140 страниц, включая 46 рисунков и список литературы из 109 наименований.